CN104409955A - 用于激光器的等离子体激励源装置 - Google Patents

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一种用于激光器的等离子体激励源装置，涉及到等离子体激励源装置，由阴极基座、阴极、螺旋导流器、阳极组件和绝缘机架组成，阴极基座的回转体中有冷却回路和气室，阴极由空心的圆棒体和实体头部构成，阴极的圆棒内空间构成冷却室，螺旋导流器的回转体中有螺旋导流肋，螺旋导流肋的螺距空间构成螺旋气流通道，阴极连接在阴极基座的回转体前端，螺旋导流器安装在阴极基座的回转体上，阴极的头部从螺旋导流器前端的约束口中伸出；阳极组件包括阳极座和阳极，阳极安装在阳极座的回转体前端；阴极基座和阳极组件分别安装在绝缘机架的两端，阳极头端与阴极头端之间的空间构成放电区。本发明在放电现象下产生强烈弧光和高能电子束，使激光器的功率强大、结构简单和能耗低。

Description

用于激光器的等离子体激励源装置
技术领域
本发明涉及激光设备，特别是涉及到一种等离子体激励源装置。 
背景技术
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。激光应用最大的领域为激光加工技术，激光加工技术是利用激光束与物质相互作用对金属材料和非金属材料进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等。 
激光器的激励方式有光泵方式激励、气体放电方式激励、高能电子束注入方式激励、核泵浦方式激励等。等离子体是在气体放电现象下所形成的一种状态，伴随着放电现象将会产生强光和高能电子束，如作为大功率激光器的激励源应用，不仅能使激光器的功率强大，而且具有结构简单、能耗低的特点。 
发明内容
本发明的目的是提供一种大功率激光器的激励源装置，应用等离子体技术，在放电现象下产生强烈弧光和高能电子束，作为大功率激光器的激励源，使激光器的功率强大、结构简单和能耗低。 
本发明的用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是装置由阴极基座（1）、阴极（4）、螺旋导流器（3）、阳极组件和绝缘机架（13）组成，其中，阴极基座（1）为回转体结构，阴极基座（1）的回转体中有冷却回路和气室（Ⅱ）；阴极（4）由空心的圆棒体和实体头部构成，阴极（4）的圆棒内空间构成冷却室（Ⅲ）；螺旋导流器（3）为回转体结构，螺旋导流器（3）的回转体中有螺旋导流肋（3-1），在螺旋导流器（3）的前端有约束环壁（3-2），约束环壁（3-2）为由后向前收窄的圆锥形结构，约束环壁（3-2）的内空间构成约束口（Ⅹ）；阴极（4）连接在阴极基座（1）的回转体前端，螺旋导流器（3）的后端安装在阴极基座（1）的回转体上，阴极基座（1）的回转体前端和阴极（4）的圆棒体部位处于螺旋导流肋（3-1）的内环空间中，螺旋导流肋（3-1）的螺距空间构成螺旋气流通道（Ⅷ），阴极（4）的头部从螺旋导流器（3）前端的约束口（Ⅹ）中伸出，气室（Ⅱ）通过螺旋气流通道（Ⅷ）和约束口（Ⅹ）连通到阴极（4）头端外空间；阳极组件包括阳极座（6）和阳极（5），阳极座（6）为回转体结构，阳极座（6）的回转体中有冷却通道；阳极（5）由空心圆棒体和实体头部构成，阳极（5）的空心圆棒内空间构成冷却腔（Ⅴ），阳极（5）安装在阳极座（6）的回转体前端；阴极基座（1）和阳极组件分别安装在绝缘机架（13）的两端，阳极（5）的头端指向阴极（4）的头端，阳极（5）头端与阴极（4）头端之间的空间构成放电区（Ⅳ）。 
 本发明中，阴极基座（1）的回转体外壁上有安装螺口（1-3），螺旋导流器（3）的后端有螺纹槽口（3-3），螺旋导流器（3）的螺纹槽口（3-3）旋合在阴极基座（1）的安装螺口（1-3）上；阴极基座（1）呈水平设置，阳极组件呈垂直设置或倾斜设置，当阳极组件呈倾斜设置时，倾斜角度为45°-90°；阴极基座（1）回转体中的冷却回路有冷却导流管（1-4），冷却导流管（1-4）的管内空间构成冷却供水通道（Ⅸ），冷却导流管（1-4）的管外空间构成冷却回水通道（Ⅰ），冷却供水通道（Ⅸ）有冷却水输入接口（1-5）接入，冷却供水通道（Ⅸ）通过阴极（4）内的冷却室（Ⅲ）连通到冷却回水通道（Ⅰ），冷却回水通道（Ⅰ）有冷却水输出接口（1-1）接出；阴极（4）的实体头部后端有冷却尾锥（4-3），冷却尾锥（4-3）伸入到冷却室（Ⅲ）中；阴极基座（1）中的气室（Ⅱ）有保护气输入接口（1-2）接入；阴极（4）的实体头部为由后向前收窄的圆锥形结构，阴极（4）的头端为圆弧形结构；阳极座（6）回转体中的冷却通道有冷却导向管（6-2），冷却导向管（6-2）的管内空间构成冷却水输入通道（Ⅶ），冷却导向管（6-2）的管外空间构成冷却水回流通道（Ⅵ），冷却水输入通道（Ⅶ）有冷却剂进口（6-3）接入，冷却水输入通道（Ⅶ）通过阳极（5）内的冷却腔（Ⅴ）连通到冷却水回流通道（Ⅵ），冷却水回流通道（Ⅵ）有冷却剂出口（6-1）接出；装置中有引弧电极（11）和驱动机构（12），引弧电极（11）的工作电位与阴极（4）的工作电位相同，驱动机构（12）为转轴工作方式，引弧电极（11）的尾端连接在驱动机构（12）的转轴上；在装置进行引弧时，引弧电极（11）的头端由阳极（5）的头端向阴极（4）的头端活动，完成引弧后，引弧电极（11）的头端限定在阴极（4）的头端。 
上述的发明工作时，一路冷却水通过冷却水输入接口（1-5）进入到冷却导流管（1-4）内的冷却供水通道（Ⅸ）中，经冷却导流管（1-4）前端的出水口对阴极（4）头部后端的冷却尾锥（4-3）进行冲刷冷却，冷却水吸收了阴极（4）头部的热量后，再经冷却室（Ⅲ）进入到冷却回水通道（Ⅰ），然后由冷却水输出接口（1-1）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（6-3）进入到冷却水输入通道（Ⅶ）中，经冷却导向管（6-2）的出水口进入到阳极（5）内的冷却腔（Ⅴ），吸收阳极（5）头部的热量后，进入到冷却水回流通道（Ⅵ），再由冷却剂出口（6-1）返回到冷却系统的回路中；保护气体由保护气输入接口（1-2）进入到气室（Ⅱ）中，然后由螺旋气流通道（Ⅷ）以螺旋方式进入到放电区（Ⅳ），保护气体受到螺旋导流器（3）前端约束口（Ⅹ）的约束而扫过阴极（4）的头端，起到对阴极（4）的保护作用；阴极基座（1）作为阴极（4）的电气连接件，阳极座（6）作为阳极（5）的电气连接件，在阳极（5）与阴极（4）之间施加电能，再通过驱动机构（12）驱动引弧电极（11）的头端靠近阳极（5）的头端或接触到阳极（5）的头端，然后使引弧电极（11）的头端离开阳极（5）的头端而向阴极（4）的头端接近，便在引弧电极（11）的头端与阳极（5）的头端之间产生电弧，当引弧电极（11）的头端与阴极（4）的头端接近时，便在阴极（4）的头端与阳极（5）的头端之间形成等离子体电弧，辐射能量，产生强烈的弧光和高能电子束，作为激励源提供给大功率激光器应用。 
上述的发明工作时，阴极（4）的头部需承受电流冲击及数万度的高温烧灼，因此，必需对阴极的头部采取有效的冷却措施和气体保护才能增加阴极的使用寿命。本发明采取在螺旋导流器（3）中设置螺旋导流肋（3-1）的措施，以形成螺旋保护气流，气流中心不会产生真空或负压，使保护气流能全面覆盖阴极（4）的头端，实现对阴极进行有效的气体保护，结合冷却保护措施，使阴极不易被烧蚀。本发明还在阴极（4）的头部后端上设置冷却尾锥（4-3）、使冷却导流管（1-4）的出水口对着冷却尾锥（4-3）冲刷，快速把阴极（4）头部的热量带走，增强了阴极的冷却效果。 
本发明的有益效果是：应用等离子体技术，在放电现象下产生强烈弧光和高能电子束，作为大功率激光器的激励源，使激光器的功率强大、结构简单和能耗低。本发明实现对阴极进行有效的气体保护，结合冷却保护措施，使阴极不易被烧蚀，提高生产效率及节约生产成本。 
附图说明
图1是本发明的用于激光器的等离子体激励源装置结构图。 
图2是图1中的螺旋导流器结构图。 
图3是图1的等离子体激励源装置放电示意图。 
图中：1.阴极基座，1-1.冷却水输出接口，1-2.保护气输入接口，1-3.安装螺口，1-4.冷却导流管，1-5.冷却水输入接口，2.密封圈，3.螺旋导流器，3-1.螺旋导流肋，3-2.约束环壁，3-3.螺纹槽口，4.阴极，4-1.阴极的圆棒体，4-2.阴极的实体头部，4-3.冷却尾锥，5.阳极，6.阳极座，6-1.冷却剂出口，6-2.冷却导向管，6-3.冷却剂进口，7.阳极的连接导线，8.固定螺栓，9.连接板，10.引弧轨迹，11.引弧电极，12.引弧电极的驱动机构，13.绝缘机架，14.安装板，15.紧固螺栓，16.阴极的连接电线，17.等离子体弧光，Ⅰ.冷却回水通道，Ⅱ.气室，Ⅲ.冷却室，Ⅳ.放电区，Ⅴ.冷却腔，Ⅵ.冷却水回流通道，Ⅶ.冷却水输入通道，Ⅷ.螺旋气流通道，Ⅸ.冷却供水通道，Ⅹ.约束口。 
具体实施方式
实施例   图1所示的实施方式中，用于激光器的等离子体激励源装置由阴极基座（1）、阴极（4）、螺旋导流器（3）、阳极组件和绝缘机架（13）组成，其中，阴极基座（1）为回转体结构，在阴极基座（1）的回转体外壁上有安装螺口（1-3），阴极基座（1）的回转体中有冷却回路和气室（Ⅱ），冷却回路中有冷却导流管（1-4），冷却导流管（1-4）的管内空间构成冷却供水通道（Ⅸ），冷却导流管（1-4）的管外空间构成冷却回水通道（Ⅰ），冷却供水通道（Ⅸ）有冷却水输入接口（1-5）接入，冷却供水通道（Ⅸ）通过阴极（4）内的冷却室（Ⅲ）连通到冷却回水通道（Ⅰ），冷却回水通道（Ⅰ）有冷却水输出接口（1-1）接出，气室（Ⅱ）有保护气输入接口（1-2）接入；阴极（4）由空心的圆棒体和实体头部构成，阴极（4）的圆棒内空间构成冷却室（Ⅲ），阴极（4）的实体头部为由后向前收窄的圆锥形结构，阴极（4）的头端为圆弧形结构，阴极（4）的实体头部后端有冷却尾锥（4-3），冷却尾锥（4-3）伸入到冷却室（Ⅲ）中；螺旋导流器（3）为回转体结构，螺旋导流器（3）的回转体中有螺旋导流肋（3-1），在螺旋导流器（3）的前端有约束环壁（3-2），约束环壁（3-2）为由后向前收窄的圆锥形结构，约束环壁（3-2）的内空间构成约束口（Ⅹ），在螺旋导流器（3）的后端有螺纹槽口（3-3）；阴极（4）连接在阴极基座（1）的回转体前端，螺旋导流器（3）的螺纹槽口（3-3）旋合在阴极基座（1）的安装螺口（1-3）上，螺旋导流器（3）的后端安装在阴极基座（1）的回转体上，阴极基座（1）的回转体前端和阴极（4）的圆棒体部位处于螺旋导流肋（3-1）的内环空间中，螺旋导流肋（3-1）的螺距空间构成螺旋气流通道（Ⅷ），阴极（4）的头部从螺旋导流器（3）前端的约束口（Ⅹ）中伸出，气室（Ⅱ）通过螺旋气流通道（Ⅷ）和约束口（Ⅹ）连通到阴极（4）头端外空间；阳极组件包括阳极座（6）和阳极（5），阳极座（6）为回转体结构，阳极座（6）的回转体中有冷却通道，冷却通道中有冷却导向管（6-2），冷却导向管（6-2）的管内空间构成冷却水输入通道（Ⅶ），冷却导向管（6-2）的管外空间构成冷却水回流通道（Ⅵ），冷却水输入通道（Ⅶ）有冷却剂进口（6-3）接入，冷却水输入通道（Ⅶ）通过阳极（5）内的冷却腔（Ⅴ）连通到冷却水回流通道（Ⅵ），冷却水回流通道（Ⅵ）有冷却剂出口（6-1）接出；阳极（5）由空心圆棒体和实体头部构成，阳极（5）的空心圆棒内空间构成冷却腔（Ⅴ），阳极（5）安装在阳极座（6）的回转体前端；阴极基座（1）和阳极组件分别安装在绝缘机架（13）的两端，阴极基座（1）呈水平设置，阳极组件呈倾斜设置，倾斜角度为45°，阳极（5）的头端指向阴极（4）的头端，阳极（5）头端与阴极（4）头端之间的空间构成放电区（Ⅳ）。本实施例的装置中有引弧电极（11）和驱动机构（12），引弧电极（11）的工作电位与阴极（4）的工作电位相同，驱动机构（12）为转轴工作方式，引弧电极（11）的尾端连接在驱动机构（12）的转轴上；在装置进行引弧时，引弧电极（11）的头端由阳极（5）的头端向阴极（4）的头端活动，完成引弧后，引弧电极（11）的头端限定在阴极（4）的头端。 
本实施例采取在螺旋导流器（3）中设置螺旋导流肋（3-1）的措施，以形成螺旋保护气流，气流中心不会产生真空或负压，使保护气流能全面覆盖阴极（4）的头端，实现对阴极进行有效的气体保护，结合冷却保护措施，使阴极不易被烧蚀；在阴极（4）的头部后端上设置冷却尾锥（4-3）、使冷却导流管（1-4）的出水口对着冷却尾锥（4-3）冲刷，快速把阴极（4）头部的热量带走，增强了阴极的冷却效果。 
上述实施例工作时，一路冷却水通过冷却水输入接口（1-5）进入到冷却导流管（1-4）内的冷却供水通道（Ⅸ）中，经冷却导流管（1-4）前端的出水口对阴极（4）头部后端的冷却尾锥（4-3）进行冲刷冷却，冷却水吸收了阴极（4）头部的热量后，再经冷却室（Ⅲ）进入到冷却回水通道（Ⅰ），然后由冷却水输出接口（1-1）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（6-3）进入到冷却水输入通道（Ⅶ）中，经冷却导向管（6-2）的出水口进入到阳极（5）内的冷却腔（Ⅴ），吸收阳极（5）头部的热量后，进入到冷却水回流通道（Ⅵ），再由冷却剂出口（6-1）返回到冷却系统的回路中；保护气体由保护气输入接口（1-2）进入到气室（Ⅱ）中，然后由螺旋气流通道（Ⅷ）以螺旋方式进入到放电区（Ⅳ），保护气体受到螺旋导流器（3）前端约束口（Ⅹ）的约束而扫过阴极（4）的头端，起到对阴极（4）的保护作用；阴极基座（1）作为阴极（4）的电气连接件，阳极座（6）作为阳极（5）的电气连接件，在阳极（5）与阴极（4）之间施加电能，再通过驱动机构（12）驱动引弧电极（11）的头端靠近阳极（5）的头端或接触到阳极（5）的头端，然后使引弧电极（11）的头端离开阳极（5）的头端而向阴极（4）的头端接近，便在引弧电极（11）的头端与阳极（5）的头端之间产生电弧，当引弧电极（11）的头端与阴极（4）的头端接近时，便在阴极（4）的头端与阳极（5）的头端之间形成等离子体电弧，辐射能量，产生强烈的弧光和高能电子束，作为激励源提供给大功率激光器应用。 

Claims (9)

1.一种用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是装置由阴极基座（1）、阴极（4）、螺旋导流器（3）、阳极组件和绝缘机架（13）组成，其中，阴极基座（1）为回转体结构，阴极基座（1）的回转体中有冷却回路和气室（Ⅱ）；阴极（4）由空心的圆棒体和实体头部构成，阴极（4）的圆棒内空间构成冷却室（Ⅲ）；螺旋导流器（3）为回转体结构，螺旋导流器（3）的回转体中有螺旋导流肋（3-1），在螺旋导流器（3）的前端有约束环壁（3-2），约束环壁（3-2）为由后向前收窄的圆锥形结构，约束环壁（3-2）的内空间构成约束口（Ⅹ）；阴极（4）连接在阴极基座（1）的回转体前端，螺旋导流器（3）的后端安装在阴极基座（1）的回转体上，阴极基座（1）的回转体前端和阴极（4）的圆棒体部位处于螺旋导流肋（3-1）的内环空间中，螺旋导流肋（3-1）的螺距空间构成螺旋气流通道（Ⅷ），阴极（4）的头部从螺旋导流器（3）前端的约束口（Ⅹ）中伸出，气室（Ⅱ）通过螺旋气流通道（Ⅷ）和约束口（Ⅹ）连通到阴极（4）头端外空间；阳极组件包括阳极座（6）和阳极（5），阳极座（6）为回转体结构，阳极座（6）的回转体中有冷却通道；阳极（5）由空心圆棒体和实体头部构成，阳极（5）的空心圆棒内空间构成冷却腔（Ⅴ），阳极（5）安装在阳极座（6）的回转体前端；阴极基座（1）和阳极组件分别安装在绝缘机架（13）的两端，阳极（5）的头端指向阴极（4）的头端，阳极（5）头端与阴极（4）头端之间的空间构成放电区（Ⅳ）。
2. 根据权利要求1所述的一种用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是阴极基座（1）的回转体外壁上有安装螺口（1-3），螺旋导流器（3）的后端有螺纹槽口（3-3），螺旋导流器（3）的螺纹槽口（3-3）旋合在阴极基座（1）的安装螺口（1-3）上。
3. 根据权利要求1所述的一种用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是阴极基座（1）呈水平设置，阳极组件呈垂直设置或倾斜设置，当阳极组件呈倾斜设置时，倾斜角度为45°-90°。
4. 根据权利要求1所述的一种用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是阴极基座（1）回转体中的冷却回路有冷却导流管（1-4），冷却导流管（1-4）的管内空间构成冷却供水通道（Ⅸ），冷却导流管（1-4）的管外空间构成冷却回水通道（Ⅰ），冷却供水通道（Ⅸ）有冷却水输入接口（1-5）接入，冷却供水通道（Ⅸ）通过阴极（4）内的冷却室（Ⅲ）连通到冷却回水通道（Ⅰ），冷却回水通道（Ⅰ）有冷却水输出接口（1-1）接出。
5. 根据权利要求1所述的一种用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是阴极（4）的实体头部后端有冷却尾锥（4-3），冷却尾锥（4-3）伸入到冷却室（Ⅲ）中。
6. 根据权利要求1所述的一种用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是阴极基座（1）中的气室（Ⅱ）有保护气输入接口（1-2）接入。
7. 根据权利要求1所述的一种用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是阴极（4）的实体头部为由后向前收窄的圆锥形结构，阴极（4）的头端为圆弧形结构。
8. 根据权利要求1所述的一种用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是阳极座（6）回转体中的冷却通道有冷却导向管（6-2），冷却导向管（6-2）的管内空间构成冷却水输入通道（Ⅶ），冷却导向管（6-2）的管外空间构成冷却水回流通道（Ⅵ），冷却水输入通道（Ⅶ）有冷却剂进口（6-3）接入，冷却水输入通道（Ⅶ）通过阳极（5）内的冷却腔（Ⅴ）连通到冷却水回流通道（Ⅵ），冷却水回流通道（Ⅵ）有冷却剂出口（6-1）接出。
9. 根据权利要求1所述的一种用于激光器的等离子体激励源装置，其特征是装置中有引弧电极（11）和驱动机构（12），引弧电极（11）的工作电位与阴极（4）的工作电位相同，驱动机构（12）为转轴工作方式，引弧电极（11）的尾端连接在驱动机构（12）的转轴上；在装置进行引弧时，引弧电极（11）的头端由阳极（5）的头端向阴极（4）的头端活动，完成引弧后，引弧电极（11）的头端限定在阴极（4）的头端。
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